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14 Reacción SN2: estereoquímica, Inversión de la configuración

Tanto el 2-bromooctano como el 2-octanol son quirales; es decir, tienen moléculas que no pueden suponerse a sus imágenes especulares. En consecuencia, estos compuestos pueden existir como enantiómeros y ser ópticamente activos. Se ha obtenido el 2-octanol ópticamente activo por resolución de la modificación racémica , y a partir de él se ha sintetizado el 2-bromooctano activo.

Se han asigando las configuraciones siguientes:

Observamos que el (-)-bromuro y el (-)-alcohol tienen configuraciones similares, es decir, el OH ocupa en el (-)-alcohol la misma posición relativa que el –Br en el (-)-bromuro. Como sabemos, los compuestos de configuración similar no necesariamente rotan la luz en la misma dirección; en este caso, ocurre que lo hacen. [También sabemos que compuestos de configuración similar no tienen por qué recibir la misma especificación R o S; es coincidencia, nuevamente, que en este caso ambos sean R.]

Al hacer reaccionar (-)-2-bromooctano con hidróxido de sodio en condiciones que favorecen una cinética de segundo orden, se obtiene (+)-2-octanol.

Observamos que el grupo –OH no ha tomado la posición ocupada con anterioridad por el Br; el alcohol tiene una configuración opuesta a la del bromuro. Una reacción que da un producto con configuración opuesta a la del reactivo procede con inversión de la configuración.

(En este caso particular, la inversión de la configuración va acompañada, casualmente, de un cambio de especificación, de R a A, pero esto no siempre es así. No podemos determinar si una reacción procede con inversión o retención de configuración inspeccionando simplemente las letras empleadas para especificar al reactivo y al producto: debemos establecer y comprar las configuraciones absolutas indicadas por tales letras.)

Surge ahora la pregunta: ¿procede una reacción como ésta con inversión completa?

Es decir, ¿se invierte la configuración de todas las moléculas? La respuesta es sí. Una reacción S_N2 procede con inversión estereoquímica completa.

Para responder a una pregunta como ésta, debemos conocer la pureza óptica del reactivo del que partimos y del producto que obtenemos; en este caso, el 2-bromooctano y el 2-octanol. Para conocer éstos, a su vez, debemos saber cuál es la rotación máxima del bromuro y la del alcohol; es decir, debemos conocer la rotación de una muestra ópticamente pura de cada uno de ellos.

Por ejemplo, supongamos que sabemos que la rotación máxima del 2-bromooctano ópticamente puro es 39.6º y que la del 2-octanol ópticamente puro, sabemos que la reacción procedió con inversión completa. O bien y esto es más práctico, si una muestra del halogenuro de rotación –32.9º, por ejemplo (pureza óptica 83%), diera alcohol de rotación +8.55º (pureza óptica 83%), también sacaríamos la misma conclusión.

Durante el desarrollo de las ideas de las reacciones S_N1 y S_N2, Hughes e Ingold estudiaron la reacción del 2-bromooctano ópticamente activo y obtuvieron resultados que les llevaron a concluir que la reacción S_N2 procede, dentro de los límites del error experimental, con inversión completa.

El valor específico que Hughes e Ingold utilizaron para la rotación del 2-bromooctano ópticamente puro ha sido puesto en duda, pero la idea básica de la inversión completa en reacciones S_N2 se ha establecido más allá de toda duda: por medio del estudio de sistemas distintos de los halogenuros de alquilo y por medio de un elegante trabajo sobre radiactividad y actividad óptica.

El ataque por atrás en la sustitución del tipo S_N2 se propuso originalmente para justificar la inversión de la configuración. A medida que el OH se va uniendo al carbono, tres enlaces se ven forzados a separarse hasta alcanzar la disposición radial del estado de transición; luego, al expulsarse el bromuro, siguen desplazándose hasta alcanzar una disposición tetraédrica opuesta a la original. Este proceso se compara a menudo con el paraguas que se da vuelta en un temporal.

La estereoquímica de la reacción del 2-bromooctano indica ataque por atrás de acuerdo con el mecanismo SN2; estudio de otros compuestos ópticamente activos, en condiciones en las que las reacciones siguen una cinética de segundo orden, muestran resultados similares. No es posible estudiar la estereoquímica de la mayoría de los halogenuros, puesto que no son ópticamente activos, sin embargo no hay razón para dudar que también ellos sufren ataque por atrás.

La inversión de la configuración es la regla general para reacciones que suceden en centros quirales, y es mucho más común que la retención de la configuración. Extrañamente, la frecuencia de la inversión fue la causa de su difícil descubrimiento. Paul Walden (Politécnico de Riga, Letonia) descubrió el fenómeno de la inversión en 1896, cuando encontró una de las reacciones excepcionales, en la cual la inversión no sucede.

Aparte de la orientación espacial del ataque, hay otra característica de la sustitución S_N2 aún más fundamental, puesto que define el mecanismo: la reacción sucede en una sola etapa, de modo que la ruptura y formación de enlaces ocurren simultáneamente, de una manera concertada. También esta característica se apoya en la estereoquímica: no por el hecho de que hay inversión, sino porque ésta es completa. Cada molécula del sustrato sufre el mismo destino estereoquímico inversión, como es el caso. Esta especificidad es consistente con el mecanismo: el grupo saliente todavía se encuentra ligado al carbono cuando comienza el ataque nucleofílico, controlado así la dirección del ataque. (Apreciaremos mejor la importancia de este aspecto al ver el contraste que ofrece la reacción S_N1.)

De hecho, ya hemos encontrado una situación de contraste: la cloración por radicales libres 1-cloro-2-metilbutano ópticamente activo. Se extrae primero hidrógeno del centro quiral; luego, en un paso posterior, se une cloro al carbono. Sin embargo, una vez que el hidrógeno se fue, no queda nada que pueda dirigir el cloro hacia una cara en particular del carbono: el ataque ocurre al azar en ambas caras, de modo que resulta la modificación racémica.

En consecuencia, el mecanismo S_N2 está apoyado en pruebas estereoquímicas. De hecho, la relación entre mecanismo y estereoquímica está tan bien establecida que, en ausencia de otra evidencia, se considera que una inversión completa indica una reacción S_N2.

Podemos apreciar, una vez más, que la estereoquímica puede proporcionar un tipo de información acerca de una reacción que no es posible obtener por otros medios.